L’eau est sans doute l’élément le plus critique pour la stabilité alimentaire. Bien que la teneur totale en humidité indique la quantité d’eau présente, c’est la disponibilité de cette eau – exprimée en activité de l’eau (aw) – qui détermine les taux de réaction microbienne, chimique et enzymatique dans les systèmes alimentaires.

Activité de l’eau par rapport à la teneur en humidité

L’activité de l’eau est définie comme le rapport entre la pression de vapeur de l’eau contenue dans un aliment et la pression de vapeur de l’eau pure à la même température (aw = p/p0). Contrairement à la teneur en humidité, qui est une mesure quantitative, l’activité de l’eau reflète l’état énergétique de l’eau et sa disponibilité pour les réactions biologiques et chimiques. Deux aliments ayant une teneur en humidité identique peuvent avoir des valeurs aw très différentes selon la force avec laquelle l’eau est liée à la matrice alimentaire.

Isothermes de sorption

Les isothermes de sorption d’humidité représentent graphiquement la relation entre l’activité de l’eau et la teneur en humidité d’équilibre à température constante. Les isothermes d’adsorption sont obtenues en ajoutant de l’eau à un échantillon sec, tandis que les isothermes de désorption sont obtenues en séchant un échantillon hydraté. La boucle d’hystérésis – l’écart entre les courbes d’adsorption et de désorption – donne un aperçu de la structure et de l’histoire des pores de l’aliment. Les modèles Brunauer-Emmett-Teller (BET) et Guggenheim-Anderson-de Boer (GAB) sont largement utilisés pour ajuster les données de sorption et estimer la teneur en eau de la monocouche.

Eau et stabilité monocouche

La valeur de la monocouche (teneur en eau de la monocouche) représente la quantité d’eau étroitement liée aux sites polaires de la matrice alimentaire. Sous la monocouche, l’eau est pratiquement indisponible et la plupart des réactions de dégradation se déroulent très lentement. La stabilité maximale des aliments est généralement obtenue à des valeurs aw correspondant à la teneur en humidité de la monocouche, généralement comprises entre 0,20 et 0,40 aw selon l’aliment.

Limites de croissance microbienne

Les micro-organismes ont des seuils aw caractéristiques en dessous desquels ils ne peuvent pas proliférer. La plupart des bactéries nécessitent une aw supérieure à 0,91, la plupart des levures nécessitent une aw supérieure à 0,87 et la plupart des moisissures nécessitent une aw supérieure à 0,80. Les bactéries halophiles et les moisissures xérophiles peuvent se développer à des valeurs aw aussi basses que 0,75 et 0,61, respectivement. Contrôler l’activité de l’eau est donc une stratégie primordiale pour la conservation des aliments.

Taux de réaction chimique

L’activité de l’eau module également les taux de réaction chimique. Les taux d’oxydation des lipides sont les plus faibles avec une aw monocouche (0,2 à 0,4) et augmentent aux valeurs inférieures et supérieures. Le brunissement non enzymatique (réaction de Maillard) s’accélère avec l’augmentation de aw jusqu’à environ 0,7, puis diminue en raison de la dilution du réactif. L’activité enzymatique nécessite une aw suffisante pour permettre la diffusion du substrat et la flexibilité conformationnelle de l’enzyme.

Température de transition vitreuse

La température de transition vitreuse (Tg) est la température à laquelle un matériau alimentaire amorphe passe d’un état cassant et vitreux à un état caoutchouteux et mobile. Cette transition dépend fortement de la teneur en eau, car l’eau agit comme plastifiant. Les aliments stockés au-dessus de leur Tg sont plus susceptibles de cristalliser, de devenir collants et de s’effondrer.

Méthodes de mesure

L’activité de l’eau est mesurée à l’aide d’hygromètres électroniques qui déterminent l’humidité relative d’équilibre de l’espace libre au-dessus d’un échantillon. Les capteurs de point de rosée à miroir refroidi offrent des mesures rapides et précises, tandis que les capteurs capacitifs conviennent au contrôle qualité de routine. Toutes les mesures doivent être effectuées à une température contrôlée, généralement 25 °C, car aw dépend de la température. L’activité de l’eau est distincte de la détermination de la teneur en humidité : deux aliments ayant la même teneur en humidité peuvent avoir des valeurs aw différentes. Le contrôle de l’aw est un obstacle majeur à la prévention de la détérioration microbienne et est manipulé par le biais du séchage et déshydratation.